定金激光致固体靶材熔融喷溅过程的研究

定金激光致固体靶材熔融喷溅过程的研究

熔喷出硅靶和铝靶的nd激光加工具有非接触、高效率、易控制等特点。作者通过阴影法研究了毫秒激光致硅靶和铝靶产生的熔融喷溅过程,得到了脉宽为1ms,能量为7.38J和16.00J的Nd1高能东南角激光显像激光束的原理实验装置可分为毫秒激光与靶材相互作用光路和探测光路两部分,如图1所示。毫秒激光与靶材相互作用光路为高能毫秒激光束经过聚焦透镜辐照在靶材上,聚焦透镜的焦距为152mm,靶材表面的光束半径为0.2mm。实验中铝靶厚度为4mm,硅靶厚度为0.3mm,Nd2激光作用的海淡时间对铝靶熔融喷累的影响毫秒激光致硅靶和铝靶的熔融喷溅过程的序列阴影图对比情况如图2所示。图2中左侧为毫秒激光致硅靶熔融喷溅过程序列阴影图,右侧为毫秒激光致铝靶熔融喷溅过程序列阴影图。在实验中,脉冲为1ms、能量为7.38J的毫秒激光从左至右辐照在靶材上,其中硅靶的厚度为0.3mm,而铝靶的厚度为4mm。在图2左侧的序列阴影图中,当激光作用233μs时,激光作用区域中熔融硅的亮度高于背景光(背景光为探测激光束);当激光作用466μs时,硅靶前表面和后表面均出现了熔融喷溅物;当激光作用699μs时,硅靶前表面和后表面出现了更多的熔融喷溅物;当激光作用932μs时,可见硅靶前表面和后表面熔融喷溅物逐渐分散开,呈现液滴状,硅靶产生的熔融喷溅方向与靶材前表面法线的最大夹角约为45°,熔融喷溅物分布于两最大喷溅角之间,且硅靶前后表面熔融喷溅物的喷溅方向相反。在整个毫秒激光与硅靶相互作用过程中,熔融喷溅物的亮度总是高于背景光。在图2右侧的序列阴影图中,当激光作用233μs时,激光作用区域中熔融铝的亮度低于背景光,铝靶前表面出现了气化喷溅物,并且气化喷溅物的亮度高于背景光;当激光作用466μs时,可见气化喷溅物在空气中传播,气化喷溅物的喷溅方向与激光入射方向相反;在激光作用1165μs时,可见气化喷溅物逐渐消散。在整个毫秒激光与铝靶相互作用过程中,气化喷溅物的亮度高于背景光,并且直接观测到气化喷溅物产生、传播和逐渐消失的过程。在上述实验中,值得注意的是铝靶产生的熔融喷溅现象并不十分明显。为了得到激光作用铝靶的熔融喷溅过程,加大毫秒激光能量至16.0J,得到的序列阴影图如图3所示。在图中,脉冲为1ms、能量为16.0J的毫秒激光从左至右照射到厚度为4mm的铝靶表面上。从序列阴影图可以看出,当激光作用66μs时,铝靶表面出现了气化的物质蒸气,并且物质蒸气的亮度明显高于背景光的亮度;当激光作用299μs时,物质蒸气在空气中逐渐扩大,并且铝板表面出现了熔融喷溅物;当激光作用532μs时,铝靶表面出现了更多的熔融喷溅物,但在靶材表面产生的物质蒸气却减少了。铝靶产生的熔融喷溅方向与靶材前表面法线的夹角大约为20°,熔融喷溅物在空间呈线状分布在喷射角所在的直线上。铝靶表面熔融喷溅方向与激光入射方向相反;当激光作用765μs时,铝靶表面又产生了物质蒸气和熔融喷溅物;当激光作用超过1ms后,物质蒸气逐渐消失。在熔融喷溅过程中,熔融喷溅物为线状、不透明的液体,其亮度低于背景光。3分析与讨论3.1熔融喷喷喷累密度不同起初在硅靶前表面和后表面均产生了熔融喷溅物,由于熔融喷溅物速度不同而逐渐分离开,最后可观测到熔融喷溅物呈现液滴状;而铝靶产生的熔融喷溅物呈线状不透明流体,并且由于喷溅速度的不同而逐渐分离开。在激光与靶材相互作用产生的熔融喷溅过程研究中,其可能产生熔融喷溅的机理有两种:(1)根据流体动力学,物质蒸气产生的气化压力使得熔融液体从材料表面向外喷溅3.2熔融喷喷的方向硅靶产生的熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成夹角最大值为45°;而铝靶产生的熔融喷溅方向与靶材前表面法线的夹角较小,约为20°。对于硅靶而言,当熔融喷溅现象出现时,气泡自身产生的气化压力要大于外力,气泡必然向外力最小的方向运动3.3熔融喷水质分布硅靶产生熔融喷溅物分布在两个最大喷溅角之间,铝靶产生的熔融喷溅物在空间呈线状分布在喷溅方向所在的直线周围。对于硅靶而言,过热沸腾过程中产生的气泡是服从Boltzmann3.4熔喷喷覆物的色彩硅靶产生熔融喷溅物的亮度高于背景光,而铝靶产生的熔融喷溅物亮度低于背景光。由于实验所用的高速CCD前放置了波长为532nm的带通干涉滤波片,因而高速CCD记录的主要是波长为532nm±15nm光波。在实验中,硅靶产生的融熔喷溅物的亮度高于背景光,因此高温融熔液体硅存在热辐射现象。这里假设将发生过热沸腾现象,即融熔液体的温度要超过其沸点,而硅的沸点温度为3514K,在计算中假定熔融喷溅物的温度为3500K,根据黑体辐射辐射强度的定义和液态硅的发射率ε=0.27式中,λ是波长,E由以上计算结果可见,液态硅在517nm~547nm波段的辐射强度约为背景光源的78.7(M=E/I4熔融喷喷喷喷喷水质特征将脉宽为1ms的激光致硅靶和铝靶的熔融喷溅过程的阴影图进行对比,研究了硅靶和铝靶熔融喷溅过程。在研究过程中,将过热沸腾的机理引入到毫秒激光与硅靶相互作用过程中,进而根据毫秒激光致硅靶和铝靶融熔喷溅产生的机理分析硅靶和铝靶产生熔融喷溅现象的不同。(1)2种靶材熔融喷溅物的形态不同。熔融液态硅内部形成气泡并膨胀直至离开硅靶表面,形成液滴状融熔喷溅物;而铝靶在外力的作用下液体离开靶材的方向移动,因此呈现线状分布。(2)熔融喷溅夹角与和融熔喷溅物的分布不同。硅靶产生的气泡服从Boltzmann分布,气泡离开硅靶后形成融熔喷溅物分布在两个最大喷溅角之间,最大喷溅角约为45°;而铝靶融熔喷溅物的方向为所受外力的合力方向,因此融熔喷溅物分布在喷溅方向所在的直线周围,喷溅角度约为20°。(3)熔融喷溅物的亮度不同。硅的融熔喷溅物是温度大于沸点的液体,高温融熔